Diagram Benda Bebas

Diagram benda bebas adalah sketsa sederhana dari satu benda yang dipilih, dengan setiap gaya eksternal pada benda itu digambar sebagai panah. Diagram ini digunakan untuk memisahkan benda dari keseluruhan situasi, sehingga Anda bisa menerapkan hukum Newton tanpa mencampurkan gaya yang bekerja di tempat lain.

Pemeriksaan tercepat adalah ini: apa yang sedang mendorong atau menarik benda saat ini, dan apa sumber gaya itu? Jika Anda tidak bisa menyebutkan sumbernya, kemungkinan gaya itu belum seharusnya ada pada diagram.

Apa yang ditunjukkan diagram benda bebas

Diagram benda bebas biasanya mencakup:

• benda, digambar sebagai kotak, titik, atau bentuk sederhana lainnya
• satu panah untuk setiap gaya eksternal yang bekerja pada benda itu
• label seperti berat $mg$, gaya normal $N$, tegangan $T$, gaya gesek $f$, atau gaya luar
• sumbu jika itu membuat arah atau komponen lebih mudah ditangani

Kata kuncinya adalah eksternal. Berat termasuk karena Bumi menarik benda. Gaya normal termasuk karena permukaan mendorong benda. Tegangan termasuk karena tali menarik benda.

Cara menggambar diagram benda bebas

Untuk sebagian besar soal fisika dasar, proses empat langkah ini sudah cukup:

1. Pilih hanya satu benda.
2. Ganti benda itu dengan kotak atau titik sederhana.
3. Tambahkan satu panah untuk setiap gaya eksternal yang bekerja pada benda itu.
4. Beri label pada setiap gaya dan pilih sumbu yang membuat soal lebih mudah.

Itu sudah cukup untuk mulai menuliskan persamaan. Jika suatu gaya bekerja pada sudut tertentu, Anda nanti bisa memecahnya menjadi komponen $x$ dan $y$, tetapi diagram pertama sebaiknya menunjukkan gaya sebenarnya sebelum diuraikan.

Apa yang harus tidak dimasukkan

Menghilangkan hal yang tepat adalah tempat banyak kesalahan bermula. Diagram benda bebas tidak boleh mencakup:

• kecepatan atau percepatan yang digambar seolah-olah itu gaya
• gaya yang bekerja pada benda lain
• gaya yang ditambahkan hanya karena benda sedang bergerak
• pasangan hukum ketiga Newton, kecuali jika gaya itu juga bekerja pada benda yang dipilih

Sebagai contoh, jika sebuah kotak menekan meja ke bawah, gaya ke bawah itu bekerja pada meja. Gaya itu tidak termasuk dalam diagram benda bebas kotak.

Contoh: kotak ditarik melintasi lantai kasar

Misalkan sebuah kotak ditarik ke kanan oleh tali horizontal sambil meluncur di atas lantai kasar. Gambarkan diagram hanya untuk kotak, bukan untuk tali atau lantai.

Gaya-gaya pada kotak adalah:

• berat $mg$ ke bawah
• gaya normal $N$ ke atas dari lantai
• tegangan $T$ ke kanan dari tali
• gaya gesek kinetik $f_k$ ke kiri dari lantai

Setelah diagramnya jelas, tuliskan hukum kedua Newton untuk setiap arah:

$$\sum F_x = T - f_k$$ $$\sum F_y = N - mg$$

Jika kotak bergerak dengan kecepatan konstan dan talinya horizontal, maka percepatannya nol. Dalam kondisi itu,

$$T = f_k$$

dan

$$N = mg$$

Kesetaraan itu bergantung pada kondisinya. Jika kotak bertambah cepat, maka $T > f_k$. Jika tali menarik ke atas dengan sudut tertentu, maka Anda tidak boleh menganggap $N = mg$ karena sebagian tarikan mengubah keseimbangan gaya vertikal.

Kesalahan umum pada diagram benda bebas

• Mencampuradukkan gerak dan gaya. Sebuah benda bisa bergerak ke kanan sementara resultan gayanya nol.
• Lupa memilih satu benda. Diagram benda bebas bukan gambar seluruh situasi.
• Menganggap setiap gaya kontak selalu ada. Gaya gesek, misalnya, hanya muncul jika kondisi kontak dan geraknya mendukung.
• Menulis $N = mg$ karena kebiasaan. Itu hanya benar dalam kasus tertentu, bukan pada setiap soal.

Kapan diagram benda bebas digunakan

Diagram benda bebas muncul di hampir semua topik mekanika: balok di atas permukaan, katrol, bidang miring, kesetimbangan, dan soal hukum kedua Newton. Diagram ini sering menjadi langkah yang mengubah soal cerita menjadi persamaan gaya yang bisa diselesaikan.

Jika Anda ingin langkah praktis berikutnya, cobalah membuat versi Anda sendiri untuk soal sederhana tentang bidang miring atau katrol. Lalu bandingkan gambaran gaya Anda dengan hukum kedua Newton dan hukum ketiga Newton agar Anda tidak mencampuradukkan keseimbangan gaya dengan pasangan aksi-reaksi.